前言
随着网络技术的发展Internet正在把*的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，形成无处不有的数据通信网络。在此背景下，传统的工业控制领域也正经历一场的变革，开始向网络化和开放性方向发展，形成了新的工业以太控制网络。工业以太控制网络的出现满足了企业不同层次信息交换的需求，它是工业自动化过程的命脉所在。
1以太网用于工业控制领域的优势与问题
1.1以太网用于工业控制领域的优势
以太网在其发展的20年中得到了极为广泛的应用，已经成为一种主流技术。目前在构筑信息高速通道、企业信息系统和智能建筑中都无一例外地应用了高速以太网。这主要是由于以太网具有以下优势：
（1）基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式网络，不同厂商的设备很容易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题。
（2）以太网能方便、快捷地访问远程系统，共享/访问多个数据库。
（3）易于与Internet连接，能够在任何城市、地方利用通过Internet对企业进行监控。
（4）能大幅度降低成本。包括技术人员的培训费用、维护费用及初期投资。
（5）以太网能实现信息网络与工业控制网络的无缝连接。
以上这些优势使得以太网非常适合应用到工业控制系统中去。然而，由于以太网的发展是以办公自动化为目标设计的商业网络，这使得以太网必然带有不适合应用于工业控制系统的缺陷。这种缺陷有时是致命的。
1.2以太网应用子工业控制系统时需要解决的问题
（1）存在实时性差不确定性的问题。以太网的介质访问控制协议——CSMA/CD有无法预见的延迟特性。网络每个节点要通过竞争来取得信息包的发送权：节点监听信道，只有发现信道空闲时，才能发送信息；如果信道忙碌则需要等待。信息开始发送后，还需要检查是否发生碰撞，信息如发生碰撞，需退出重发。
（2）工业可靠性问题。以太网是以办公自动化为目标设计的，并没有考虑工业现场环境的适应性需要。如超高或超低的工作温度，大马达或大导体产生的影响信道传输特性的强电磁噪声等。工业以太网如要在车间底层应用必须解决可靠性的问题。
（3）以太网不提供电源，必须有额外的供电电缆。
（4）以太网不是本质安全系统。
（5）安全性问题。没有*的用户可能进入网络的控制层或管理层造成安全漏洞。
（6）现存的控制网络与新建以太控制网络的集成问题。
上述这些问题中实时性、确定性及可靠性问题是长期阻碍以太网进入工业控制领域的主要障碍。为了解决这一问题，人们从不同角度提出了许多解决办法。
2改进以太网实时性的主要措施
2.1存取控制方法与实时性的关系
控制系统的各站要交换信息必须经过通信子网，通信子网成了各站的共享资源。对通信子网使用权的合理分配调度决定了对各站所提出的通信请求作出响应的快慢，也就是决定了通信子网的实时性。
存取控制又称访问控制，所控制的就是各站访问通信子网的时机。因此存取控制方法就是通信子网使用权分配调度算法的核心，它与通信子网实时性有着密切关系。
对于普通局域网而言，一般认为，网络资源利用率高，特别是信道利用率高的存取控制方法就是比较好的方法。工业控制局网则有些不同，工业局网对实时性要求比较高，对响应时间的要求有时比普通局域网快几百倍，这时只好牺牲部分信道利用率以保证实时性。如果把实时性要求表示成“时间约束条件”，用这些时间约束条件对将那些适用于普通局域网的存取控制方法加以改造，就可形成适用于工业控制局域网的存取控制方法。
一项任务的实时性得到满足是指其响应时间小于规定的时限。一个站的实时性合乎要求是指该站提出的所有通信任务在的时限内都能获得响应。整个通信子网的实时性符合要求是指分布在各子网上每一个站的每一项任务的实时性均得到保证，包括紧急任务的实时性也必须满足。要保证整个通信子网的实时性必须满足下列三个时间约束条件：
（1）限定每个站每次取得通信权的时间上限值。若超过此值，无论本次通信任务是否完成，均应立即释放通信权。这一时间约束条件可以防止某一站长期霸占通信子网而导致其它各站实时性恶化。
（2）保证在某一固定的时间内，通信子网上的每一个站都有机会取得通信权，以防止个别站因长时间得不到通信权而使其实时性太差甚至丧失实时性。只要有一个站出现这种情况，整个通信子网的实时性就算没有达到要求。这一固定时间周期的长短，从整体上标志着一个通信子网实时性的高低。
（3）对于紧急任务，当其实时性要求临时变得很高时，应当给以优先服务。对于实时性要求比较高的站，也应当使它取得通信权的机会比其它站多一些。如果能采用静态（固定）的方式赋予某些站较高的优先权，采用动态（临时）的方式赋予某些通信任务以比较高的优先权，则将使紧急任务及重要站的实时性得到满足。
如果用这三条时间约束条件去衡量，将会发现有些存取控制方法（如ALOHA法、CSMA/CD法等）一条约束条件也不满足，有些存取控制方法（如时间片法、轮询法、请求选择法等）满足部分约束条件，有些（如令牌总线法、令牌环法等）则满足全部约束条件。
2.2存取控制方法及其改进
（1）通过存取控制方法的组合解决实时性问题
有一些普通局域网的存取控制方法只能满足部分时间约束条件，若单独使用，则无法全面满足实时性要求。如果把两种或几种存取控制方法组合起来使用，取长补短，常常可满足全部三条时间约束条件。例如把轮询法、请求选择法及时间片法结合起来，将会使三个时间约束条件都得到满足，同祥可获得优良的实时性。
（2）CSMA/CD法的改进
近年来，随着交换式以太网技术的发展与应用大大地改善了以太网技术中由于CSMA/CD介质访问方法产生的不确定性问题，它与快速以太网、千兆以太网技术结合使以太网的实时性、确定性都得到了较大的改善。虽然CSMA/CD法一条时间约束条件也满足不了，但是在通信负载较小的条件下，CSMA/CD法的响应速度很快，具有非常好的实时性。因此，把时间约束条件换成通信负载约束条件时，同样可以保证实时性。
这种改善主要体现在以下几个方面：
·以太网采用CSMA/CD存取控制方法，这种存取控制方法存在极大的不确定性，按道理不能用于工业控制。但在一定条件下事情会发生转化。如果总线上挂接的工作站比较少，每个站的通信任务也比较少，而且每次占用的通信时间不长，也就是说通信负荷比较轻时，理论分析及实验研究均表明：CSMA/CD存取控制方法的响应时间反而比令牌环法及令牌总线法更快，因而每个站都具有良好的实时性。
·CSMA/CD用于工业局网的另一个缺陷是过程数据太短，而CSMA/CD法规定了zui小帧长（例如Ethernet规范规定zui小帧长为72个字节）。为了达到zui小帧长，在传送“过程数据”时，不得不填加许多无效的填充字节，这样，有效数据传输率大大下降。对这个问题新一代局网已妥善解决，在各站中建立了分布式数据库，一方面在分布式数据库中都存放着共享数据，提高各站自治性，减少通信子网的负荷。另一方面把需要传送的数据先暂存在分布式数据库中组织成一数据块，每次通信时把成组的过程数据块放在同一帧传送，使其达到zui小帧长，从而不必填充而提高了有效传输率。再加上作为工业控制局域局网的Ethernet一般范围比较小，所要求的zui小帧长也比较短，这一条件更易满足。
·采用CSMA/CD存取控制方法的网络接口远比令牌环及令牌总线的网络接口简单，容易实现，而且可扩展性好，维护又方便。因此，尽管在通信负荷比较重时，CSMA/CD方法实时性将急剧恶化，人们还是可以创造环境，控制通信负荷，改善实时性，使之适用于工业控制领域。
2.3实时以太网介质访问控制协议（RT-CSMA/CD）
面向工业控制的以太网MAC协议改进方案——实时以太网介质访问控制协议（RT-CSMA/CD）是根据通信子网实时性所必须满足的三个时间约束条件而提出的。它利用信道冲突通知非实时节点或者低优先级实时节点停止传输，把信道留给高优先级的实时节点。该协议是一个与普通以太网MAC协议标准兼容的确定性的实时通信协议，这样标准的以太网节点均可不作任何改动直接挂在该系统上进行通信。
实时以太网介质访问控制协议RT-CSMA/CD的工作原理及过程如下：
（1）为了检测到信道上的冲突首先给出zui小竞争时隙的概念，定义网络上相距zui远的2个节点的信号传播时延的2倍为zui小竞争时隙。如果1个节点开始传输后，在一个zui小竞争时隙没有检测到冲突，则该节点获得了信道的访问控制权。
（2）系统中，非实时节点遵循标准的1-坚持CSMA/CD协议，而实时节点遵循RT-CSMA/CD协议。
（3）当有实时数据要发送时，首先侦听信道，如果信道空闲，实时节点开始发送。
（4）发送信息后如果检测到冲突，实时节点并不像非实时节点一样停止传输，执行退避算法，而是坚持发送竞争信号，竞争信号的长度不小于zui小竞争时隙的长度。因为非实时节点遵循1-坚持CSMA/CD协议，检测到冲突后都停止信号发送，在实时节点发送完一个竞争信号之前，非实时节点都将退出竞争。
（5）剩下的实时节点按照优先级的大小决定是坚持发送竞争信号还是让出信道给更高优先级的节点，优先级越高的节点坚持发送竞争信号的次数越多。
（6）当某个节点发送完一个竞争信号后，如果检测到信道上的冲突己消失，说明其他的实时节点都已经退出竞争，该节点就取得信道的访问控制权，停止传输竞争信号，重传被破坏的数据帧。
2.4CSMA/CD与RT-CSMA/CD的比较
CSMA/CD协议发送前要侦听信道，当信道忙碌时要等待，空闲时才能发送信息。发送后还要继续侦听信道，如果发生冲突则要停止发送，执行退避算法，等待重法。而且，重法时仍可能再次发生冲突。如此反复直至成功发送。而RT-CSMA/CD协议虽然发送前也要侦听信道，信道空闲时发送信息。但是，当发生冲突时，并不退出而是继续发送竞争信号，此时，剩下的实时节点则按zui高优先级发送信号，避免了再次冲突的发生。
总结以上两种访问协议，可以得出以下结论：
（1）在信息负荷低时，两种协议运行效果都一样好。在系统负荷增大时，RT-CSMA/CD协议性能比CSMA/CD协议有所改进。这种介质访问控制协议保证了实时数据传输有确定性的zui大时延。即满足了时间约束条件的第1条。
（2）在发生冲突时，遵循CSMA/CD协议的非实时节点停止传输，采用退避算法，这样增加了信息传输的时延。而RT-CSMA/CD协议的实时节点则坚持发送竞争信号。可见，RT-CSMA/CD协议要优于CSMA/CD协议。
（3）当非实时节点退出竞争后，实时节点按zui高优先级再竞争发送信号。这样则满足时间约束条件的第3条，使得紧急任务及重要站的实时性得到满足。
（4）CSMA/CD协议的节点重发后仍可能再次发生冲突，这一重发次数上限为16次，这极大的影响了信息发送的确定性。而RT-CSMA/CD协议则拥有极小的重发概率，显然优于CSMA/CD协议。
综上所述，实时节点的发送时延远小于非实时节点，RT-CSMA/CD改进协议性能确实优于CSMA/CD访问控制协议。
3结论
在工业自动化领域，从嵌入式系统到现场总线控制系统都认识到了以太网的重要性，以太网作为世界上zui广泛应用的网络协议它将广泛应用于工业自动化领域的各个控制层面，进而构建从底层的现场设备到*与优化控制层、企业管理决策层的综合自动化网络平台，实现企业各种信息的无缝集成。
